CN112555865A - 一种炭黑尾气锅炉以及炭黑尾气处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种炭黑尾气锅炉以及炭黑尾气处理方法。本发明对炭黑尾气锅炉进行改造，设置空气分级入口和Y型低氮燃烧器，使得炭黑尾气能够在炉膛内先后发生欠氧燃烧和过氧燃烧；并设置烟气循环风机，使得一部分锅炉烟气能够参与炭黑尾气的燃烧；既能达到低NOX排放标准，又能保证锅炉效率。

Description

一种炭黑尾气锅炉以及炭黑尾气处理方法
技术领域
本发明涉及锅炉，具体涉及一种既能达到低NOX(氮氧化物)排放标准又能保证锅炉效率的炭黑尾气锅炉，以及炭黑尾气处理方法。
背景技术
炭黑尾气属于炭黑生产过程中产生的废气，含有一定的可燃气体，例如一氧化碳、氢气、烃类物质等。炭黑尾气热值偏低，约650Kcal/Nm3，且不同炭黑品种的炭黑尾气热值不同，变化较大约在550～750Kcal/Nm3。炭黑尾气中含水率较高，根据炭黑生产品种不同，含水不同，约在30～40％(体积比)左右。炭黑尾气的低热值和含水率高造成了炭黑尾气燃烧稳定性差，同时烟气体积量大，造成锅炉的效率低于其他燃烧锅炉。炭黑尾气除一部分炭黑生产过程中自用外，大部分输送至尾气发电锅炉燃烧产生蒸汽用于发电，燃烧后的烟气需进行脱硫脱硝，控制粉尘含量达到超低标准后进行排放。
目前国家对炭黑尾气锅炉的二氧化硫、氮氧化物、粉尘的排放要求：SO2排放浓度≤50mg/Nm3、NOx排放浓度≤100mg/Nm3、粉尘颗粒物含量≤10mg/Nm3。炭黑尾气脱硫工艺一般采用石灰石-石膏法湿法脱硫，该脱硫工艺以技术成熟，脱硫效率高，目前在火电厂锅炉中广泛使用。脱硝工艺一般采用低氮燃烧+SNCR+SCR工艺，达到超低排放标准。低氮燃烧目前采用较多的为分级燃烧技术，因炭黑尾气发电锅炉负荷受炭黑生产负荷及炭黑品种不同(尾气热值不同)影响较大，造成NOX生成量波动较大且难较稳定控制。根据炭黑尾气热值计算，不采用任何控制手段降低NOX含量的话，炭黑尾气在锅炉内产生的NOX含量高达800mg/m3。上述脱硝工艺中低氮燃烧可将NOX含量降至400～500mg/m3，同时此低氮燃烧器燃烧效率不能受燃料(尾气量)的变化调整造成锅炉的效率下降。低氮燃烧后再通过炉内喷氨SNCR工艺和SCR工艺，来控制NOX的排放达到环保排放标准。SNCR脱硝工艺脱硝效率较低，一般只有50％左右，同时脱硝效率对炉膛炉内温度场分布要求较高，而炭黑尾气锅炉的尾气热值及尾气量的变工况影响了SRCR的效率，造成了脱硝剂氨水用量较大，降低了锅炉的效率。SCR脱硝工艺采用的是有选择性催化剂的脱硝工艺，通过低氮燃烧+SNCR+SCR脱硝工艺后，NOX可达超低排放标准。因炭黑尾气锅炉对NOX排放要求为小于100mg/m3，采用上述脱硝工艺后造成炭黑尾气锅炉效率下降约5％左右，且氨水用量较大，约每吨蒸汽需2.5kg氨水，能耗较大，运行成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种炭黑尾气锅炉，以及一种炭黑尾气处理方法。
本发明提供的一种炭黑尾气锅炉，包括炉膛、炉内空气预热器、锅炉引风机、烟气循环风机和Y型低氮燃烧器，其中，
所述炉膛侧壁设有空气分级入口，所述炉内空气预热器设置在所述炉膛内；
所述锅炉引风机与所述炉膛连接，用于排出所述炉膛内的锅炉烟气；
所述烟气循环风机与所述锅炉引风机通过管道连接；
所述Y型低氮燃烧器、空气分级入口与所述炉内空气预热器、烟气循环风机通过管道连接，用于将空气和所述锅炉烟气的一部分引入所述Y型低氮燃烧器或空气分级入口；
所述Y型低氮燃烧器设置在所述炉膛侧壁且位于所述空气分级入口下方，用于向所述炉膛内输入空气和炭黑尾气。
进一步地，所述炭黑尾气锅炉还包括设置在所述炉膛内的高温过热器、低温过热器、SCR装置和省煤器。
进一步地，所述炭黑尾气锅炉还包括外部空气预热器，所述外部空气预热器与所述炉内空气预热器通过管道连接。
进一步地，所述Y型低氮燃烧器的数量为三个。
本发明提供的一种炭黑尾气处理方法，采用上述的炭黑尾气锅炉，包括以下步骤：
使空气经过所述炉内空气预热器；
将炭黑尾气和所述空气的第一部分通过所述Y型低氮燃烧器输入到所述炉膛内，通过控制所述炭黑尾气和所述空气的第一部分的用量比例，使得所述炭黑尾气在所述炉膛内欠氧燃烧；
将所述空气的第二部分通过所述空气分级入口输入到所述炉膛内，使其与欠氧燃烧后的所述炭黑尾气在所述炉膛内过氧燃烧，生成锅炉烟气。
进一步地，所述Y型低氮燃烧器的数量为三个，每个所述Y型低氮燃烧器的炭黑尾气输入量为31000Nm3/h，每个所述Y型低氮燃烧器的空气的第一部分的输入量为17800Nm3/h。
进一步地，通过所述Y型低氮燃烧器输入到所述炉膛内的所述空气第一部分和通过所述空气分级入口输入到所述炉膛内的所述空气的第二部分的比例为95：5。
进一步地，所述方法还包括将所述锅炉烟气的一部分通过所述Y型低氮燃烧器引入所述炉膛内的步骤，所述锅炉烟气的一部分占所述锅炉烟气的42％。
本发明的有益效果：本发明对炭黑尾气锅炉进行改造，设置空气分级入口和Y型低氮燃烧器，使得炭黑尾气能够在炉膛内先后发生欠氧燃烧和过氧燃烧；并设置烟气循环风机，使得一部分锅炉烟气能够参与炭黑尾气的燃烧；既能达到低NOX排放标准，又能保证锅炉效率。
附图说明
图1为本发明的炭黑尾气锅炉的原理示意图。
图2为本发明的Y型低氮燃烧器侧视示意图。
图3为本发明的Y型低氮燃烧器的纵剖面示意图。
附图标记解释：1.低氮燃烧器，101.第一炭黑尾气入口，102.第二炭黑尾气入口，103.焦炉煤气入口，1031.第一导流片，104.空气入口，105.火检装置，106.法兰，107.空气分配器，1071.第一空气分入口，10711.第二导流片，1072.第二空气分入口，2.锅炉汽包，3.高温过热器，4.低温过热器，5.第一省煤器，6.预留SCR装置，7.第二省煤器，8.炉内空气预热器，9.第三省煤器，10.引风机，11.脱硫塔，12.风机，13.管道，14.外部空气预热器，15.管道，16.炉膛，1601.空气分级入口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种炭黑尾气锅炉，包括炉膛16、汽包2、高温过热器3、低温过热器4、第一省煤器5、SCR装置6、第二省煤器7、炉内空气预热器8、第三省煤器9、锅炉引风机10、烟气循环风机12、外部空气预热器14和三个Y型低氮燃烧器1。
其中，炉膛16是现有技术中常见的，图1显示为“n”字形结构。炉膛16侧壁设有空气分级入口1601，汽包2布置在炉膛外，高温过热器3、低温过热器4、第一省煤器5、SCR装置6、第二省煤器7、炉内空气预热器8、第三省煤器9依次设置在炉膛16内。
锅炉引风机10与炉膛16的末端连接，用于排出炉膛16内的锅炉烟气(炭黑尾气燃烧后产生烟气)。锅炉引风机10通过管道将大部分锅炉烟气输送至脱硫塔11，以便净化锅炉烟气。
烟气循环风机12与锅炉引风机10通过管道连接，烟气循环风机12将一部分锅炉烟气循环利用。
三个Y型低氮燃烧器1、空气分级入口1601与炉内空气预热器8、烟气循环风机12通过管道连接，用于将空气和锅炉烟气的一部分引入Y型低氮燃烧器1或空气分级入口1601。在具体连接上，炉内空气预热器8的空气出口连接管道15一端，管道15另一端分为四条支路并分别连接三个Y型低氮燃烧器1、空气分级入口1601；烟气循环风机12的出口通过管道13与管道15的中部连接，使得烟气循环风机12输出的锅炉烟气能够在管道15内与空气混合。Y型低氮燃烧器1设置在炉膛16侧壁且位于空气分级入口1601下方，用于向炉膛16内输入空气和炭黑尾气。
外部空气预热器14与炉内空气预热器8通过管道连接，使得外部空气能够先进入外部空气预热器14，再进入炉内空气预热器8，进行两次预热。外部空气预热器14利用外部能源对空气进行加热，炉内空气预热器8利用炉膛16内的锅炉烟气对空气进行加热。
如图2和3所示，Y型低氮燃烧器1包括第一炭黑尾气入口101、第二炭黑尾气入口102、焦炉煤气入口103、空气入口104和火检装置105。第一炭黑尾气入口101分成二十六个DN80小口径的尾气分散管道向炉膛16方向延伸，二十六个DN80小口径的尾气分散管道排列为环形。第二炭黑尾气入口102为DN700口径的入口，向炉膛16方向延伸，位于所述环形的圆心处。焦炉煤气入口103向炉膛16方向延伸，形成环形环绕在第二炭黑尾气入口102外侧；其环形内设置了间隔均匀的第一导流片1031，使得焦炉煤气通过后形成旋转气流。空气入口104连接有空气分配器107，空气分配器107包括环形的第一空气分入口1071和第二空气分入口1072。第一空气分入口1071环绕在焦炉煤气入口103外侧，其环形内设置了间隔均匀的第二导流片10711，使得空气通过后形成旋转气流。第二导流片1071和第一导流片1031的倾斜角度相反，使得从第一空气分入口1071出来的气体和从焦炉煤气入口103出来的气体旋转方向相反。第二空气分入口1072由若干小孔组成，这些小孔密密麻麻地分布在二十六个DN80小口径的尾气分散管道旁。空气从空气入口104进入后，分别从第一空气分入口1071和第二空气分入口1072流出。火检装置105穿入到第二炭黑尾气入口102内部，用于检测炭黑尾气燃烧时产生的火焰。
以下介绍利用该炭黑尾气锅炉处理炭黑尾气的主要过程：利用外部空气预热器14对空气进行预热，使空气经过炉内空气预热器8、Y型低氮燃烧器1的空气入口104进入炉膛16；使炭黑尾气分别均匀地从Y型低氮燃烧器1的第一炭黑尾气入口101、第二炭黑尾气入口102中进入炉膛16内燃烧；在二十六个DN80小口径的尾气分散管道附近，使空气过量，炭黑尾气充分燃烧，燃烧过氧量高，火焰温度较低，抑制了氮氧化物的快速生成。同时空气分配器107可提高空气的速度，使大部分从空气分配器107出来的空气因速度大于尾气的速度没有参与炭黑尾气中的助燃，空气一部分参与从第一炭黑尾气入口101输入的炭黑尾气中的燃料燃烧，一部分参与从第二炭黑尾气入口102输入的炭黑尾气中的尾气燃烧，但此部分的空气量不足，为欠氧燃烧；从第二炭黑尾气入口102输入的炭黑尾气中的尾气燃烧温度因氧气不足，火焰温度得到抑制，氮氧化物的生成量减少；未完全燃尽的尾气同空气分配器107的高速空气在燃烧器火焰末端进行燃烧，因燃烧器末端火焰温度较低，使氮氧化物的生成量得到抑制。从锅炉引风机10出口引进的锅炉烟气通过循环烟气风机12送入空气入口104，此烟气炉内空气预热器8送入的空气混合，降低了助燃的氧浓度，使氮氧化物的生成速度降低，达到低氮燃烧的目的。Y型燃烧器1通过燃料分级、空气分级、控制助燃氧浓度的方法达到了氮氧化物低排放的目的。
控制低氮燃烧的技术在于：将炭黑烟气Y型低氮燃烧器1送入炉膛16中燃烧，Y型燃烧器1采用了把浓淡燃烧方法的分级燃烧技术(FIR)和烟气外循环(FGR)的技术结合起来，设计在单一燃料条件下氮氧化物排放指标需小于80mg/Nm3(混合燃料条件下氮氧化物排放指标需小于100mg/Nm3)，基准氧含量以3.5％计。如图2和3所示，炭黑尾气通过第一炭黑尾气入口101和第二炭黑尾气入口102进入炉膛16中燃烧，每个第一炭黑尾气入口101的炭黑尾气流量为11000Nm3/h，每个第二炭黑尾气入口102的炭黑尾气流量为20000Nm3/h。空气分级入口1601的空气流量约占空气总流量(从外部空气预热器14输入的新鲜空气和烟气循环风机12输送的循环锅炉烟气总量)的5％，约为2800Nm3/h；每个空气入口104的空气流量为17800Nm3/h。Y型低氮燃烧器1最重要的能降低NOX的生成量的处理就是将燃料分级，且炭黑尾气在炉膛16内燃烧一部分为欠氧燃烧，一部分为过氧燃烧，使炉内温度场分布更加均匀，且通过再烟气循环进入火焰中心，使火焰中心温度不至于生成过高，更进一步抑制了NOX的生成量。
就Y型低氮燃烧器1而言，降低燃烧温度来自两个方面的原因，过剩空气系数起到稀释作用，燃烧后的火焰温度取决于炭黑尾气的热值和烟气量，在炭黑尾气性质与供应量不变的前提下，燃烧温度与烟气量成反比；而烟气量与过剩空气量变化趋势相同，因而燃烧温度与过剩空气量变化趋势相反。当空气系数增加时，燃烧温度降低，这种降低温度对减少热力型NOX生成是有影响的。对于淡火焰而言，其一次空气量超过理论空气量，空气系数往往达到1.8左右，这时的温度下降幅度大，热力型NOX得到有效控制。淡火焰燃烧产生的烟气对浓火焰的温度有降低作用。淡火焰是一种全预混燃烧方式，火焰相对比较短，而浓火焰为部分顶混燃烧方式，火焰比全预混长。同时由于每个浓火焰而言，空气只从单侧供应，另一侧为淡火焰燃烧生成的烟气，造就了燃烧过程中二次空气不能迅速获得，火焰变的更长，火焰的拉长延长了燃烧放热时间，减缓了发热速度，使火焰温度下降。另一方面，在实际燃烧中，浓淡燃烧器的火焰并非直的，由于燃烧器两侧空气的挤压作用，使的火焰将向内侧倾斜，浓火焰中将混入淡火焰产生的烟气，使得燃烧温度降低，这是炭黑尾气Y型浓淡燃烧器减低NOX排放的根本原因。
燃烧完全的锅炉烟气通过锅炉的各级受热面(高温过热器3、低温过热器4、第一省煤器5、第二省煤器7、炉内空气预热器8、第三省煤器9)后，通过引风机10送至脱硫塔11中进行脱硫，同时引风机10出口的部分烟气通过烟气循环风机12送入Y型低氮燃烧器1中。烟气再循环的本质是通过将燃烧产生的烟气重新引入燃烧区域，实现对燃烧温度、氧化物浓度的控制，从而实现降低氮氧化物的排放和节约能源的效果。在高温条件下，由空气中的氮经氧化而生成NOX，称为热力型NOX。热力型NOX形成的主要因素是温度，温度对NOX生成速率的影响呈指数关系，影响热力型NOX生成的另一因素是烟气中的氧浓度，其生成速度与氧浓度的0.5次方成正比。烟气再循环技术降低了火焰区域的最高温度，降低火焰就可以降低NOX的形成，同时烟气再循环降低了氧化物的浓度，同样起到降低NOX的作用。同时助燃空气通过炭黑尾气炉膛16四周的炉内空气分级入口1601进入炉膛16，使浓淡Y型低氮燃烧器1中未燃尽的炭黑尾气全部燃烧，减少燃料未燃尽损失。
由此可知，本发明采用了Y型低氮燃烧器加烟气再循环工艺，利用Y型低氮燃烧器采用浓淡燃烧和分级燃烧结合，通过烟气循环的烟气和助燃空气相结合的工艺，降低NOX的生成量达到80mg/m3以下并通过Y型低氮燃烧器提高炭黑尾气燃烧效率和放大锅炉受热面积保证锅炉效率不下降。
为了保证以后超低排放的标准，在锅炉设计上预留了SCR装置位置，以避免以后为达到超低排放标准造成锅炉的改造太大，同时为了利用现有SCR装置空间位置，增加一组省煤器降低排烟温度，提高锅炉效率。
为了保证锅炉的效率，通过空气分级送入保证了燃料的完全燃烧。保证锅炉的效率的手段为：因为锅炉再循环烟气引入了炉膛，抑制了NOX的生成量，但同时也降低了火焰生成温度，影响了炉内传热；因炉内辐射热同烟温的4次方成正比，炉温低，传热量就少；且因为再循环烟气的引入造成锅炉的烟气量较大，烟气流速更高，传热量更少，锅炉的排烟温度高，锅炉的效率降低。锅炉的受热面设计参照再循环烟气量引入后的火焰温度辐射传热设计，同时考虑了再循环烟气量，控制了烟气流速，锅炉受热面的放大提高了锅炉的吸收热，降低了排烟损失，使锅炉的效率明显提高。

Claims (8)

1.一种炭黑尾气锅炉，包括炉膛、炉内空气预热器、锅炉引风机、烟气循环风机和Y型低氮燃烧器，其中，
所述炉膛侧壁设有空气分级入口，所述炉内空气预热器设置在所述炉膛内；
所述锅炉引风机与所述炉膛连接，用于排出所述炉膛内的锅炉烟气；
所述烟气循环风机与所述锅炉引风机通过管道连接；
所述Y型低氮燃烧器、空气分级入口与所述炉内空气预热器、烟气循环风机通过管道连接，用于将空气和所述锅炉烟气的一部分引入所述Y型低氮燃烧器或空气分级入口；
所述Y型低氮燃烧器设置在所述炉膛侧壁且位于所述空气分级入口下方，用于向所述炉膛内输入空气和炭黑尾气。
2.根据权利要求1所述的炭黑尾气锅炉，其特征在于：所述炭黑尾气锅炉还包括设置在所述炉膛内的高温过热器、低温过热器、SCR装置和省煤器。
3.根据权利要求1所述的炭黑尾气锅炉，其特征在于：所述炭黑尾气锅炉还包括外部空气预热器，所述外部空气预热器与所述炉内空气预热器通过管道连接。
4.根据权利要求1所述的炭黑尾气锅炉，其特征在于：所述Y型低氮燃烧器的数量为三个。
5.一种炭黑尾气处理方法，采用权利要求1～4任一权利要求所述的炭黑尾气锅炉，包括以下步骤：
使空气经过所述炉内空气预热器；
将炭黑尾气和所述空气的第一部分通过所述Y型低氮燃烧器输入到所述炉膛内，通过控制所述炭黑尾气和所述空气的第一部分的用量比例，使得所述炭黑尾气在所述炉膛内欠氧燃烧；
将所述空气的第二部分通过所述空气分级入口输入到所述炉膛内，使其与欠氧燃烧后的所述炭黑尾气在所述炉膛内过氧燃烧，生成锅炉烟气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述Y型低氮燃烧器的数量为三个，每个所述Y型低氮燃烧器的炭黑尾气输入量为31000Nm3/h，每个所述Y型低氮燃烧器的空气的第一部分的输入量为17800Nm3/h。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：通过所述Y型低氮燃烧器输入到所述炉膛内的所述空气第一部分和通过所述空气分级入口输入到所述炉膛内的所述空气的第二部分的比例为95：5。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将所述锅炉烟气的一部分通过所述Y型低氮燃烧器引入所述炉膛内的步骤，所述锅炉烟气的一部分占所述锅炉烟气的42％。
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